本文關(guān)鍵詞：基于沖擊的燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片冷卻結(jié)構(gòu)研究

  更多相關(guān)文章： 沖擊冷卻 內(nèi)部冷卻 燃?xì)廨啓C(jī) 優(yōu)化

【摘要】：燃?xì)廨啓C(jī)是廣泛應(yīng)用的能源動(dòng)力設(shè)備。燃?xì)廨啓C(jī)的透平冷卻對整機(jī)的效率、功率和壽命都有直接影響。在燃?xì)廨啓C(jī)的透平冷卻中,沖擊冷卻對動(dòng)、靜葉和護(hù)環(huán)冷卻都有很大貢獻(xiàn)。本文以動(dòng)葉中的沖擊冷卻結(jié)構(gòu)為研究對象,通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法,開展了復(fù)雜沖擊冷卻單元的傳熱和阻力特性研究,完成了各類沖擊冷卻單元和全葉片的一維經(jīng)驗(yàn)建模,搭建了基于沖擊的葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化平臺(tái),發(fā)展了基于沖擊冷卻的新型葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)。動(dòng)葉中一般涉及的沖擊冷卻單元包括帶氣膜的前緣沖擊、帶防橫流和柱肋結(jié)構(gòu)的陣列沖擊、通道間傾斜沖擊等。本文通過瞬態(tài)液晶實(shí)驗(yàn)和三維數(shù)值計(jì)算方法,研究了這些單元的傳熱和阻力特性。定性解釋了沖擊冷卻累積橫流和射流的交互機(jī)制,發(fā)現(xiàn)了開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性在射流和橫流交界面的作用,揭示了橫流導(dǎo)致射流振蕩并產(chǎn)生壁面非定常傳熱的過程。定量分析了氣膜抽吸、孔板幾何、靶面幾何、傾斜孔和旋轉(zhuǎn)等因素對沖擊傳熱和阻力的影響。傳統(tǒng)的沖擊冷卻經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔o法滿足新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求。本文總結(jié)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值的研究結(jié)果,利用擬合方法提出了前緣沖擊冷卻的氣膜抽吸修正因子,復(fù)雜陣列沖擊的下游阻力關(guān)聯(lián)式、傾斜孔沖擊的傳熱關(guān)聯(lián)式及其旋轉(zhuǎn)修正因子。同時(shí),結(jié)合已有的各類輔助元件和前人發(fā)展的一維管網(wǎng)求解器,搭建了全葉片內(nèi)部冷卻管網(wǎng)模型。通過嵌套遺傳算法和實(shí)驗(yàn)數(shù)值驗(yàn)證手段,建立了全葉片內(nèi)部冷卻的優(yōu)化平臺(tái)。動(dòng)葉中如何布置沖擊冷卻單元是葉片冷卻設(shè)計(jì)的主要問題。經(jīng)過拓?fù)浞治龊蛥?shù)優(yōu)化,本文發(fā)展了傾斜沖擊、雙層冷卻和串聯(lián)沖擊三種基于沖擊冷卻的內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)。通過瞬態(tài)液晶實(shí)驗(yàn)和三維耦合數(shù)值方法,分析了各類結(jié)構(gòu)的傳熱、阻力和流熱耦合特性。結(jié)果表明傾斜沖擊結(jié)構(gòu)具有壓損小和傳熱相當(dāng)?shù)奶攸c(diǎn),并具有進(jìn)一步提升的潛力;雙層冷卻結(jié)構(gòu)壓損和傳熱過小,不適合于氣膜冷卻較少的葉片;串聯(lián)沖擊結(jié)構(gòu)具有壓損相當(dāng)和傳熱增強(qiáng)的特點(diǎn),具有更優(yōu)的冷卻性能。本文發(fā)展的串聯(lián)沖擊結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)帶肋通道結(jié)構(gòu)相比,可以在相同冷氣參數(shù)的條件下,提升內(nèi)部傳熱25%。
【關(guān)鍵詞】：沖擊冷卻 內(nèi)部冷卻 燃?xì)廨啓C(jī) 優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK473
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-13
• 第1章 引言13-38
• 1.1 燃?xì)廨啓C(jī)和冷卻技術(shù)13-15
• 1.2 透平葉片內(nèi)部冷卻15-22
• 1.2.1 內(nèi)部冷卻的基本形式17-19
• 1.2.2 透平葉片的近壁冷卻結(jié)構(gòu)19-22
• 1.3 透平葉片沖擊冷卻的研究現(xiàn)狀22-32
• 1.3.1 沖擊冷卻的布置形式22-23
• 1.3.2 前緣單排孔沖擊冷卻23-26
• 1.3.3 陣列沖擊冷卻26-29
• 1.3.4 傾斜沖擊冷卻29-30
• 1.3.5 旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響30-32
• 1.4 沖擊冷卻的研究方法32-35
• 1.4.1 實(shí)驗(yàn)方法32-33
• 1.4.2 三維數(shù)值方法33
• 1.4.3 一維管網(wǎng)方法33-34
• 1.4.4 優(yōu)化方法34-35
• 1.5 研究現(xiàn)狀總結(jié)和本文的研究目的35-38
• 1.5.1 研究現(xiàn)狀總結(jié)35-36
• 1.5.2 本文研究目的36-38
• 第2章 透平葉片沖擊冷卻實(shí)驗(yàn)裝置及測量系統(tǒng)38-49
• 2.1 本章引言38
• 2.2 靜止透平葉片內(nèi)部冷卻實(shí)驗(yàn)臺(tái)38-41
• 2.3 旋轉(zhuǎn)透平葉片內(nèi)部冷卻實(shí)驗(yàn)臺(tái)41-43
• 2.4 瞬態(tài)液晶測量技術(shù)43-48
• 2.4.1 瞬態(tài)液晶測量原理43-45
• 2.4.2 熱色液晶的標(biāo)定45-46
• 2.4.3 瞬態(tài)液晶實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性46-47
• 2.4.4 瞬態(tài)液晶實(shí)驗(yàn)的不確定度47-48
• 2.5 本章小結(jié)48-49
• 第3章 透平葉片沖擊冷卻的數(shù)值方法49-55
• 3.1 本章引言49
• 3.2 沖擊冷卻的三維數(shù)值方法簡介49-50
• 3.3 針對葉片冷卻結(jié)構(gòu)的一維管網(wǎng)計(jì)算方法50-53
• 3.3.1 經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式51-53
• 3.4 針對葉片冷卻結(jié)構(gòu)的遺傳算法和優(yōu)化策略53-54
• 3.4.1 遺傳算法53-54
• 3.4.2 優(yōu)化平臺(tái)54
• 3.5 本章小結(jié)54-55
• 第4章 動(dòng)葉氣膜抽吸對前緣沖擊冷卻的影響特性研究55-79
• 4.1 本章引言55-56
• 4.2 無氣膜冷卻的動(dòng)葉前緣沖擊冷卻特性56-65
• 4.2.1 研究對象和參數(shù)描述56
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果56-58
• 4.2.3 數(shù)值方法驗(yàn)證58-61
• 4.2.4 前緣沖擊冷卻的流場特征61-64
• 4.2.5 前緣沖擊冷卻的傳熱特征64-65
• 4.3 帶氣膜孔的動(dòng)葉前緣沖擊冷卻特性65-75
• 4.3.0 研究對象和參數(shù)描述66-67
• 4.3.1 數(shù)值方法驗(yàn)證67-69
• 4.3.2 氣膜位置對前緣沖擊的影響69-71
• 4.3.3 氣膜間距對前緣沖擊的影響71-72
• 4.3.4 氣膜孔間角對前緣沖擊的影響72-75
• 4.4 帶氣膜孔條件下動(dòng)葉前緣傳熱和壓損的修正模型75-77
• 4.4.1 阻力模型75-76
• 4.4.2 傳熱模型76-77
• 4.5 本章小結(jié)77-79
• 第5章 動(dòng)葉陣列沖擊冷卻的冷卻特性研究79-98
• 5.1 本章引言79
• 5.2 研究對象描述和數(shù)值驗(yàn)證79-82
• 5.2.1 研究對象描述79-80
• 5.2.2 數(shù)值模擬設(shè)置80-82
• 5.3 防橫流結(jié)構(gòu)和柱肋對陣列沖擊冷卻的影響82-92
• 5.3.1 幾何參數(shù)對壓力損失的影響82-85
• 5.3.2 幾何參數(shù)對傳熱系數(shù)的影響85-88
• 5.3.3 冷卻和阻力特性的對比88-89
• 5.3.4 熱流耦合結(jié)果和整體冷卻效率89-92
• 5.4 旋轉(zhuǎn)對陣列沖擊冷卻的影響92-94
• 5.5 陣列沖擊冷卻的壓損和傳熱模型94-97
• 5.5.1 阻力模型94-96
• 5.5.2 傳熱模型96-97
• 5.6 本章小結(jié)97-98
• 第6章 動(dòng)葉通道間傾斜沖擊冷卻特性研究98-113
• 6.1 本章引言98
• 6.2 研究對象描述和數(shù)值驗(yàn)證98-101
• 6.3 靜止條件下通道間的傾斜沖擊冷卻特性101-103
• 6.3.1 流場特征101-102
• 6.3.2 傳熱分布特性102-103
• 6.4 旋轉(zhuǎn)條件下通道間的傾斜沖擊冷卻特性103-108
• 6.4.1 流場特征103-106
• 6.4.2 傳熱分布特征106-108
• 6.5 動(dòng)葉通道間的傾斜沖擊冷卻模型108-112
• 6.5.1 阻力模型108-109
• 6.5.2 傳熱模型109-112
• 6.6 本章小結(jié)112-113
• 第7章 基于沖擊冷卻的新型動(dòng)葉冷卻結(jié)構(gòu)研究113-151
• 7.1 本章引言113
• 7.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的邊界條件和約束條件113-116
• 7.3 傳熱實(shí)驗(yàn)和三維數(shù)值模擬的設(shè)置116-117
• 7.4 葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)拓?fù)浞治龊蛥?shù)化建模117-120
• 7.5 傳統(tǒng)帶肋通道冷卻葉片的特性120-127
• 7.5.1 帶肋片通道葉片管網(wǎng)優(yōu)化120-122
• 7.5.2 帶肋片通道葉片傳熱實(shí)驗(yàn)122-124
• 7.5.3 帶肋片通道葉片流熱耦合模擬124-127
• 7.6 傾斜沖擊冷卻葉片的特性127-133
• 7.6.1 傾斜沖擊葉片的管網(wǎng)優(yōu)化127-129
• 7.6.2 傾斜沖擊葉片傳熱實(shí)驗(yàn)129-131
• 7.6.3 傾斜沖擊葉片的流熱耦合模擬131-133
• 7.7 雙層冷卻葉片的特性133-140
• 7.7.1 雙層冷卻葉片的管網(wǎng)優(yōu)化133-135
• 7.7.2 雙層冷卻葉片傳熱實(shí)驗(yàn)135-137
• 7.7.3 雙層冷卻葉片的流熱耦合模擬137-140
• 7.8 串聯(lián)沖擊冷卻葉片的特性140-148
• 7.8.1 串聯(lián)沖擊冷卻葉片傳熱實(shí)驗(yàn)143-145
• 7.8.2 串聯(lián)沖擊冷卻葉片的流熱耦合模擬145-148
• 7.9 沖擊冷卻葉片與傳統(tǒng)冷卻形式的對比148-149
• 7.10 本章小結(jié)149-151
• 第8章 工作總結(jié)及展望151-154
• 8.1 本文工作總結(jié)151-152
• 8.1.1 帶氣膜抽吸的前緣沖擊冷卻特性研究151
• 8.1.2 帶復(fù)雜孔板和靶面結(jié)構(gòu)的陣列沖擊冷卻特性研究151-152
• 8.1.3 動(dòng)葉通道間傾斜沖擊冷卻的特性研究152
• 8.1.4 基于沖擊冷卻的葉片內(nèi)部冷卻新型結(jié)構(gòu)的探索152
• 8.2 本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)152-153
• 8.3 未來工作展望153-154
• 參考文獻(xiàn)154-163
• 致謝163-165
• 個(gè)人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文與研究成果165-166

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本文編號：993150